Drehende Geräte sind so häufig, aber auch so unverstanden, dass selbst sehr erfahrene Elektriker und Ingenieure oft mit Fragen zu ihrem Betrieb geplagt werden. In diesem Artikel werden sieben der am häufigsten gestellten Fragen beantwortet. Die Erklärungen sind aus Platzgründen kurz und praktisch gehalten; sie werden Ihnen jedoch ein besseres Verständnis dieser Geräte ermöglichen.
Frage Nr. 1: Anker, Feld, Rotor, Stator: Was ist was?
Der Stator umfasst per Definition alle nicht rotierenden elektrischen Teile eines Generators oder Motors. Ebenfalls per Definition umfasst der Rotor alle rotierenden elektrischen Teile.
Das Feld einer Maschine ist der Teil, der das direkte Magnetfeld erzeugt. Der Strom im Feld wechselt nicht. Die Ankerwicklung ist diejenige, die eine Wechselspannung erzeugt oder an die eine Wechselspannung angelegt wird.
Gemeinsam werden die Begriffe „Anker“ und „Feld“ nur bei Wechselstromgeneratoren, Synchronmotoren, Gleichstrommotoren und Gleichstromgeneratoren verwendet.
Wechselstromgeneratoren. Das Feld eines Synchrongenerators ist die Wicklung, an die der Gleichstromerregerstrom angelegt wird. Der Anker ist die Wicklung, an der die Last angeschlossen ist. Bei kleinen Generatoren befinden sich die Feldwicklungen oft auf dem Stator und die Ankerwicklungen auf dem Rotor. Die meisten großen Maschinen haben jedoch ein rotierendes Feld und einen feststehenden Anker.
Ein Synchronmotor ist praktisch identisch mit einem Synchrongenerator. Der Anker ist also der Stator und das Feld ist der Rotor.
Gleichstrommaschinen. Bei Gleichstrommaschinen, sowohl Motoren als auch Generatoren, ist der Anker der Rotor und das Feld ist der Stator. Da der Anker bei Gleichstrommaschinen immer der Rotor ist, glauben viele Elektriker und Ingenieure fälschlicherweise, dass der Anker bei allen Motoren und Generatoren der Rotor ist.
Frage Nr. 2: Ich habe die Federspannung meiner Bürsten entlastet, und sie verschleißen trotzdem zu schnell. Warum?
Bürstenverschleiß hat zwei grundlegende Ursachen: mechanische Reibung und elektrische Abnutzung. Mechanische Reibung wird durch das Reiben der Bürsten am Kommutator oder Schleifring verursacht. Elektrischer Verschleiß wird durch den Lichtbogen und die Funkenbildung der Bürste verursacht, während sie sich über den Kommutator bewegt. Die mechanische Reibung nimmt mit dem Bürstendruck zu, der elektrische Verschleiß nimmt mit dem Bürstendruck ab.
Für jede gegebene Bürsteninstallation gibt es einen optimalen Bürstendruck. Wird der Druck unter diesen Wert gesenkt, steigt der Gesamtverschleiß, weil der elektrische Verschleiß zunimmt. Wird der Druck über den optimalen Wert erhöht, steigt der Gesamtverschleiß wieder an, weil die mechanische Reibung zunimmt.
Stellen Sie immer sicher, dass der Bürstendruck auf den vom Hersteller empfohlenen Wert eingestellt ist. Wenn der Verschleiß immer noch zu hoch ist, sollten Sie den Typ und die Größe der verwendeten Bürste untersuchen. Denken Sie daran, dass die Stromdichte (Ampere pro Quadratmeter der Bürste) für die Anwendung richtig sein muss. Die richtige Stromdichte ist erforderlich, um sicherzustellen, dass sich ein schmierender, leitfähiger Film auf dem Kommutator oder Schleifring bildet. Dieser Film setzt sich aus Feuchtigkeit, Kupfer und Kohlenstoff zusammen. Eine unzureichende Stromdichte verhindert die Bildung dieses Films und kann zu übermäßigem Bürstenverschleiß führen.
Auch in Umgebungen mit sehr niedriger Luftfeuchtigkeit ist nicht genügend Feuchtigkeit für die Bildung des Schmierfilms vorhanden. Wenn übermäßiger Bürstenverschleiß in einer solchen Umgebung ein Problem ist, müssen Sie möglicherweise den Bereich befeuchten, in dem die Maschine betrieben wird.
Frage Nr. 3: Was ist der Betriebsfaktor?
Der Betriebsfaktor ist die Last, die auf einen Motor angewendet werden kann, ohne die zulässigen Nennwerte zu überschreiten. Wenn zum Beispiel ein 10-PS-Motor einen Betriebsfaktor von 1,25 hat, kann er 12,5 PS (10 x 1,25) leisten, ohne dass die zulässige Temperaturerhöhung überschritten wird. Beachten Sie, dass der Motor mit Nennspannung und Nennfrequenz versorgt werden muss, wenn er auf diese Weise über seine Nennlast hinaus betrieben wird.
Beachten Sie jedoch, dass ein 10-PS-Motor mit einem Betriebsfaktor von 1,25 kein 12,5-PS-Motor ist. Wenn der 10-PS-Motor kontinuierlich mit 12,5 PS betrieben wird, kann sich die Lebensdauer der Isolierung um bis zu zwei Drittel des Normalwerts verringern. Wenn Sie einen 12,5-PS-Motor benötigen, kaufen Sie einen; der Betriebsfaktor sollte nur für kurzzeitige Überlastbedingungen verwendet werden.
Frage Nr. 4: Was ist ein rotierendes Magnetfeld und warum rotiert es?
Ein rotierendes Magnetfeld ist ein Feld, dessen Nord- und Südpole sich innerhalb des Stators bewegen, so als ob sich ein Stabmagnet oder Magnete innerhalb der Maschine drehen würden.
Schauen Sie sich den Stator des 3-Phasen-Motors in der nebenstehenden Abbildung an. Es handelt sich um einen 2-poligen Stator, bei dem die drei Phasen im Abstand von 120 mm angeordnet sind. Der Strom von jeder Phase tritt in eine Spule auf einer Seite des Stators ein und tritt durch eine Spule auf der gegenüberliegenden Seite aus. Wenn also eine der Spulen einen magnetischen Nordpol erzeugt, erzeugt die andere Spule (für dieselbe Phase) einen magnetischen Südpol auf der gegenüberliegenden Seite des Stators.
An Position 1 erzeugt die B-Phase einen starken Nordpol oben links und einen starken Südpol unten rechts. Die A-Phase erzeugt einen schwächeren Nordpol unten links und einen schwächeren Südpol unten. Die C-Phase erzeugt ein Gesamtmagnetfeld, dessen Nordpol oben links und dessen Südpol unten rechts liegt.
An der Position 2 erzeugt die A-Phase den starken Nordpol unten links und einen starken Südpol oben rechts; die starken Pole haben sich also um 60 gegen den Uhrzeigersinn gedreht. (Beachten Sie, dass diese 60 magnetische Drehung genau einer 60 elektrischen Änderung in den Phasenströmen entspricht.) Die schwachen Pole haben sich ebenfalls um 60 gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Das bedeutet, dass sich das gesamte Magnetfeld von Position 1 aus um 60 Grad gedreht hat.
Bei einer genaueren Analyse können wir zeigen, dass sich die Magnetfeldstärke von Position 1 zu Position 2 gleichmäßig dreht, da sich die Ströme in jeder der Phasen um 60 elektrische Grad ändern. Die Analyse der Positionen 3, 4, 5 und 6 zeigt, dass das Magnetfeld weiter rotiert.
Die Geschwindigkeit, mit der sich das Magnetfeld dreht, wird als Synchrondrehzahl bezeichnet und durch die folgende Gleichung beschrieben:
S = (f x P) / 120 wobei S = Drehzahl in Umdrehungen pro Minute f = Frequenz der angelegten Spannung (Hz) P = Anzahl der Magnetpole im rotierenden Magnetfeld
Würde ein Permanentmagnet in diesen Stator eingesetzt und mit einer Welle versehen, die es ihm erlaubt, sich zu drehen, würde er mit Synchrondrehzahl geschoben (oder gezogen) werden. Genau so funktioniert ein Synchronmotor, nur dass das Magnetfeld des Rotors (Feldes) durch Elektromagnetismus und nicht durch einen Dauermagneten erzeugt wird.
Der Rotor eines Induktionsmotors besteht aus kurzgeschlossenen Wicklungen, und in den Rotorwicklungen wird ein Strom induziert, wenn das rotierende Magnetfeld sie durchschneidet. Dieser Strom erzeugt ein Feld, das dem Drehfeld entgegengesetzt ist. Infolgedessen wird der Rotor durch das Drehfeld herumgeschoben (oder gezogen). Beachten Sie, dass sich der Rotor des Induktionsmotors nicht mit Synchrondrehzahl drehen kann, da das Drehfeld die Rotorwicklungen durchschneiden muss, um das Drehmoment zu erzeugen. Die Differenz zwischen der Synchrondrehzahl und der tatsächlichen Rotordrehzahl wird als prozentualer Schlupf bezeichnet und in Prozent ausgedrückt.
Einphasige Motoren haben ebenfalls ein rotierendes Magnetfeld. Das zum Starten des Motors benötigte Drehfeld wird von einer zweiten Wicklung, der sogenannten Anlaufwicklung, erzeugt. Nachdem der Motor auf Drehzahl ist, wird die Anlaufwicklung abgeschaltet und das Drehfeld wird durch das Zusammenwirken der Stator-Hauptwicklung und des Rotors aufgebaut.
Frage Nr. 5: Wie funktioniert ein Induktionsgenerator?
Ein Induktionsgenerator ist baugleich mit einem Induktionsmotor. Die Statorwicklungen sind an ein 3-Phasen-Netz angeschlossen, und die drei Phasen erzeugen ein rotierendes Magnetfeld. Der Rotor des Asynchrongenerators wird von einer Antriebsmaschine gedreht, die sich schneller als mit Synchrondrehzahl dreht. Da die Rotorwicklungen das Drehfeld durchschneiden, wird in ihnen Strom induziert. Dieser induzierte Strom erzeugt ein Feld, das wiederum die Statorwicklungen durchschneidet, um die Leistungsabgabe an die Last zu erzeugen.
Der Induktionsgenerator bezieht also seine Erregung aus dem Stromnetz, an das er angeschlossen ist. Der Asynchronmotor muss einen Synchrongenerator haben, der an seinen Stator angeschlossen ist, um mit der Erzeugung zu beginnen. Nachdem der Asynchrongenerator in Betrieb ist, können Kondensatoren zur Versorgung der Erregung verwendet werden.
Frage Nr. 6: Warum sind Generator- und Motorlager isoliert?
Das Magnetfeld im Inneren eines Motors oder Generators ist nicht völlig gleichmäßig. So entsteht bei der Drehung des Rotors eine Spannung an der Welle in Längsrichtung (direkt entlang der Welle). Diese Spannung würde dazu führen, dass Mikroströme durch den Schmierfilm auf den Lagern fließen. Diese Ströme würden wiederum zu leichten Lichtbögen, Erwärmung und schließlich zum Ausfall der Lager führen. Je größer die Maschine ist, desto schlimmer wird das Problem.
Um dieses Problem zu vermeiden, wird die Rotorseite des Lagerkörpers oft von der Statorseite isoliert. In den meisten Fällen wird mindestens ein Lager isoliert, in der Regel dasjenige, das am weitesten von der Antriebsmaschine bei Generatoren und am weitesten von der Last bei Motoren entfernt ist. Manchmal sind beide Lager isoliert.
Frage Nr. 7: Wie regeln Wechselstromgeneratoren Drehzahl, Spannung und Leistung?
Obwohl die Steuerungen eines Generators ineinandergreifen, gelten die folgenden Allgemeinheiten.
* Die Leistungsabgabe eines Generators wird durch seine Antriebsmaschine gesteuert.
* Die Spannung und/oder der Var-Beitrag eines Generators werden durch die Höhe des Erregerstroms gesteuert.
Angenommen, es wird eine zusätzliche Last an den Ausgang eines Generators angeschlossen. Der zusätzliche Stromfluss erhöht die Stärke des Magnetfelds des Ankers und führt zu einer Verlangsamung des Generators. Um die Frequenz aufrechtzuerhalten, erhöht der Regler des Generators die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors. So wird die zusätzlich benötigte Leistung des Generators durch die Leistungsaufnahme der Antriebsmaschine gesteuert.
In unserem Beispiel hier wird der Nettomagnetfluss im Luftspalt abnehmen, da die Ankererhöhung dem Feldfluss entgegenwirkt. Wenn der Feldfluss nicht erhöht wird, um diese Änderung auszugleichen, sinkt die Ausgangsspannung des Generators. Somit wird der Erregerstrom zur Steuerung der Ausgangsspannung verwendet.
Zur weiteren Verdeutlichung betrachten wir ein anderes Beispiel. Nehmen wir an, es wird eine zusätzliche Var-Last zu unserem Generator hinzugefügt. In diesem Fall wird der Ausgangsstrom des Generators wieder ansteigen. Da es sich bei der neuen Last jedoch nicht um „echte“ Leistung handelt, muss die Antriebsmaschine nur so weit erhöht werden, dass der zusätzliche IR-Abfall, der durch den zusätzlichen Strom entsteht, überwunden wird.
Als letztes Beispiel nehmen wir an, dass wir zwei oder mehr Generatoren haben, die parallel laufen und eine Last versorgen. Generator 1 (G1) trägt die gesamte Last (real und reaktiv), während Generator 2 (G2) mit null Watt und null Volt läuft. Wenn der Bediener für G2 die Drosselklappe der Antriebsmaschine öffnet, beginnt G2, Watt in das System einzuspeisen. Da sich die angeschlossene Last nicht geändert hat, werden beide Generatoren schneller, es sei denn, G1 drosselt zurück.
Da G2 einen zusätzlichen Anteil der Last aufnimmt, benötigt er einen erhöhten Feldfluss. Erhöht der G2-Betreiber das G2-Feld nicht, wird G2 seine zusätzliche Erregung von G1 beziehen, so dass G1 seinen Erregungspegel erhöhen muss. Wenn weder G1 noch G2 die Erregung erhöhen, sinkt die Gesamtsystemspannung.
Cadick, P.E., ist Präsident von Cadick Professional Services, Garland, Texas, und Mitglied der NETA (National Electrical Testing Assoc.).